Kas yra subalansuoto mechaninio projektavimo metodas robotams?

Kad robotai tikrai pakeistų žmones realiame pasaulyje, jie turi imituoti žmogaus kūno „mechaniką“. Žmogaus kūno anatomija yra ne kas kita, kaip stebuklas. Ar robotai kada nors galės tai atkartoti 100%? Negalime to pasakyti, bet tai turi būti kuo tikroviškesnė, o tai turi pasiekti mechanikos inžinieriai.

Robotai tampa išmanesni ir galingesni nei bet kada anksčiau, tačiau už kiekvienos pažangios valdymo sistemos slypi kruopščiai sukurta mechaninė konstrukcija. Nuo lengvų mobiliųjų robotų iki tikslių robotų rankų – mechaninis dizainas lemia, kaip gerai robotas veikia, kaip efektyviai jis juda ir kaip patikimai veikia laikui bėgant.

Nors jutikliai ir programinė įranga dažnai pavagia dėmesį, roboto mechaninė konstrukcija, kuri yra jo skeletas, sudaro tikrąjį veikimo pagrindą. Norint sukurti tinkamą dizainą, reikia subalansuoti tris svarbius veiksnius: stiprumą, svorį ir pagaminamumą.

Tačiau tai daug lengviau pasakyti nei padaryti. Šiame tinklaraštyje aptarsime, kas iš tikrųjų yra subalansuotas dizainas robotikos sprendimaiir koks yra geriausias būdas pasiekti šią pusiausvyrą.

Suprasti mechaninį robotų dizainą

Mechaninis projektavimas yra nepakeičiama įvairių inžinerijos sričių dalis. Tačiau mechaninio projektavimo tikslai skiriasi. Robotikoje siekiama skaitmeninį intelektą paversti fiziniu judesiu. Tai analogiška žmogaus kūnui, kur mūsų smegenys siunčia nervinius signalus, kurie priverčia judėti mūsų raumenis.

Čia pateikiama trumpa pagrindinių robotų mechaninio projektavimo aspektų apžvalga:

1. Fizinės jėgos ir judėjimas

Fizika pagrindžia viską robotikoje ir inžinerijoje apskritai. Norėdami sukurti teisingai judantį robotą, turite suprasti, kaip jėgos veikia objektus. Ir tam reikia įsisavinti Niutono dėsnius.

Šie dėsniai padeda nuspėti, kaip robotas reaguos, kai taikys jėgą, kai įsibėgės, kai sustoja arba kai susidurs.

2. Medžiagos pasirinkimas

Mechanikos inžinieriai turi pasirinkti tinkamas medžiagas, kad nustatytų, koks stiprus, lengvas ir patvarus bus robotas. Todėl metalurgijos sąvokos, tokios kaip takumo riba, tankis ir medžiagų kietumas, yra svarstomos kiekviename žingsnyje.

Pavyzdžiui, jei tikimasi, kad robotas dirbs lauke, drėgnoje aplinkoje, geriausiai veikia korozijai atsparūs metalai, tokie kaip aliuminis.

3. Struktūrinis projektavimas

Žmogus statybininkas nesilanksto, nesilūžta ir nesideformuoja veikiamas fizinio krūvio. Na, nebent išstumti už savo ribų. Robotai taip pat reikia geros konstrukcijos, kad išlaikytų normalią formą atliekant fiziškai apmokestinamus darbus.

Tai reiškia, kad inžinierius turi sukurti robotą taip, kad jis būtų tvirtas, įtemptas, ištvermingas ir stabilus.

4. CAD projektavimas

CAD (kompiuterinio projektavimo) programinė įranga leidžia sukurti tikslius skaitmeninius roboto modelius prieš jį kuriant. Tai padeda vizualizuoti dizainą ir imituoti roboto judesius prieš jam patenkant į realų pasaulį.

Be to, naudojant tokias technologijas kaip skaitmeninė gija ir skaitmeninis dvynysCAD dizainus galite paversti gyvu savo roboto modeliu tiksliu tikslumu.

5. Prototipų kūrimas

Kai žinote, kaip jūsų robotas atrodo ant popieriaus, turite sukurti prototipą, kad patikrintumėte, ar jūsų dizainas veikia taip, kaip tikėtasi. Prototipai išbando judesius, mechaninį elgesį, taip pat sutelkia dėmesį į vizualią roboto išvaizdą ir ergonomiką.

6. Gamyba

Gaminamumo projektavimas (DFM) yra paskutinis robotų kūrimo žingsnis. DFM reiškia, kad jūsų robotas bus gaminamas masiniu mastu. Todėl jį reikia lengvai, ekonomiškai ir patikimai gaminti bei surinkti gamyklose.

Robotas, kuris yra DFM, turi paprastą surinkimą, naudoja standartizuotus komponentus ir turi tobulą formą, atitinkančią medžiagą.

Kaip pasiekti subalansuotą mechaninį robotų dizainą

Subalansuotas dizainas yra pagrindinė inžinerijos koncepcija. Civilinėje inžinerijoje tai reiškia, kad atraminiai elementai, tokie kaip kolonos ir sijos, turi būti stipresni už sijas. Kad lūžus sijai pastatas galėtų ją atlaikyti. Bet jei sugenda kolona, ​​gali sugriūti ištisi aukštai.

Kurdami robotiką, mechanikos inžinieriai užtikrina, kad skaitmeninio intelekto pavertimas fiziniu judėjimu taip pat vyktų saugiai ir efektyviai, projektuodami rėmus, jungtis ir gaubtus, kurie gali atlaikyti realias jėgas ir suvaržymus.

Tačiau iššūkis yra pasiekti pusiausvyrą tarp trijų svarbių veiksnių, kuriuos paminėjome įvade:

• Jėga valdyti apkrovas, vibracijas ir smūgius
• Lengvumas pagerinti mobilumą ir sumažinti energijos suvartojimą
• Gamyba todėl dizainus galima kurti nuosekliai ir ekonomiškai efektyviai

Vieno veiksnio pagerinimas paprastai kenkia kitam. Pavyzdžiui, norint, kad jūsų robotas būtų stipresnis, reikia kietesnės medžiagos, tačiau tai kenkia jo DFM. Kad tai būtų sumažinta, medžiaga turi būti lengvesnė; tačiau plonos konstrukcijos yra silpnesnės ir dažnai brangiai pagaminamos. Ir jei sutelksite dėmesį tik į tai, kad robotą būtų lengva pagaminti, jis gali neatitikti kitų dviejų kriterijų.

Taigi, matote, visur yra kompromisų. Šis trijų krypčių balansas lemia beveik kiekvieną sprendimą – nuo ​​medžiagų pasirinkimo iki gamybos metodų pasirinkimo.

Jėga ir svoris: raskite mielą vietą

Mitologijoje ir fantastikoje visame pasaulyje yra daug objektų, kurie galėjo sugriauti kalnus, tačiau buvo lengvi kaip plunksna, pavyzdžiui, Toro kūjis ar Poseidono trišakis. Deja, tokios medžiagos žmogui nėra žinomos, kiek tai susiję su mokslu.

Roboto rėmas turi būti pakankamai tvirtas, kad atlaikytų jo komponentus ir išorines apkrovas, tačiau kiekvienas papildomas gramas gali sumažinti atstumą, greitį ir efektyvumą. Todėl inžinieriai daugiausia dėmesio skiria tam, kad būtų pasiektas geriausias „stiprumo ir svorio santykis“, o tai reiškia maksimalų kietumą naudojant mažiausią medžiagos kiekį.

Yra keletas metodų, kuriuos galite naudoti norėdami patobulinti šį santykį ir rasti tą saldų tašką tarp jėgos ir svorio.

• Baigtinių elementų analizė (FEA) imituoti apkrovas ir nustatyti įtempių taškus
• Topologijos optimizavimas pašalinti medžiagos perteklių iš mažo įtempimo sričių
• Lakštinis metalas šonkauliai ir raukšlės, kad sustiprintų standumą
• Kompozitai arba polimerai įdėklai lengvoms, nestruktūrinėms dalims

Gerai subalansuotas dizainas gali sumažinti svorį iki 40%, išlaikant standumą – tiesiogiai pagerina mobilumą, baterijos veikimo laiką ir našumą.

Gaminamas dizainas: koncepcijų pavertimas tikrais robotais

DFM taip pat galima pasiekti tinkamais metodais. Naudojant toliau nurodytus metodus arba įrankius išvengiama brangių pataisymų vėliau ir robotas paruošiamas pramoninio masto gamybai.

Čia yra lentelė, kurioje parodyti geriausi DFM gamybos metodai:

Medžiagų pasirinkimas: veikimo pagrindas

Norint pasirinkti tinkamas medžiagas savo robotui, reikia atskiro vadovo. Juk metalo pasirinkimas yra tikrai svarbus, kad tie blizgantys robotai judėtų tiksliai. Bet mes tai aptarsime kitame tinklaraštyje.

Kol kas ši lentelė padės jums padaryti protingą pasirinkimą:

Tinkamo medžiagų derinio naudojimas užtikrina, kad kiekviena dalis optimaliai prisidės prie roboto veikimo, kainos ir gamybos galimybių.

Komponentų išdėstymo ir balanso optimizavimas

Jei vienas pėdos kaulas nėra savo padėtyje, dėl diskomforto negalėsite vaikščioti. Robotai yra tie patys, nes net naudojant geriausias medžiagas ir pagaminimą, prastas komponentų išdėstymas gali pakenkti našumui. Baterijos, varikliai ir jutikliai robote turi būti idealiai išdėstyti; kitaip robotas praras pusiausvyrą.

Svorio centro (CG) optimizavimas pagerina stabilumą ir valdymą, ypač mobiliuosiuose robotuose. Tai neleidžia robotams apsiversti, ypač mobiliesiems robotams, pavyzdžiui, sveikatos priežiūros robotams, kurie nuolat stebi paciento judėjimą.

Štai keletas geriausių praktikų, kurias galite taikyti, kad jūsų robotas būtų stabilus ir lengviau valdomas:

• Sunkesnius komponentus (pvz., baterijas ir variklius) pastatykite šalia pagrindo
• Jutikliai ir valdikliai turi būti pasiekiami techninei priežiūrai
• Krumpliaračio balansavimas tarp varomųjų ratų arba ratukų taškų, kad būtų užtikrinta stabili navigacija

CAD pagrįsti CoG modeliai taip pat leidžia inžinieriams numatyti elgesį prieš fizinį surinkimą, užtikrinant sklandesnį veikimą ir mažesnę pavarų įtaisų apkrovą.

Prototipas iki gamybos kelionės: kartotinis robotikos kūrimas

Mechaninis projektavimas robotikoje yra pasikartojantis skaitmeninio modeliavimo, prototipų kūrimo ir realaus pasaulio patvirtinimo ciklas. Tesla „Optimus“ humanoidinis robotas nuo jo paskelbimo patyrė mažiausiai tris pagrindines kartotinių kūrimo kartas.

Vykdykite šią nuoseklią kartotinę kilpą, kad įsitikintumėte, jog kiekvienas konstrukcijos elementas tiesiogiai įgalina roboto tikslus. Šis procesas sujungia projektavimo tikslus ir funkcinę tikrovę.

1. CAD modeliavimas SolidWorks
2. 3D spausdinimas greitam prototipų kūrimui
3. CNC apdirbimas ir lakštinio metalo gamyba galutiniams surinkimams
4. Sistemos integravimas ir testavimas su elektronika ir jutikliais

Išvada

Mechanikos inžinerija, be abejo, yra pati svarbiausia disciplina sprendžiant robotikos ateitį. Turime elektronikos ir programinės įrangos, kuri gali padaryti humanoidinius robotus įmanomus realiame pasaulyje. Tačiau jų jėgos tankis, pralaidumas ir valdymas vis tiek nesiekia biologinių raumenų, o tai riboja jų niuansų griebimo ar manipuliavimo galimybes.

Tačiau pirmaujantys robotikos kūrimo milžinai padarė didelę pažangą, kad įveiktų šiuos mechaninius iššūkius. Šiame straipsnyje aptarti mechaninio projektavimo principai ir metodai gali padėti jums sukurti tvirtą, lengvą ir paruoštą gamybai robotą.

„Xavor Corporation“ mūsų robotų komanda kasdien taiko šiuos projektavimo principus kurdama autonominius mobiliuosius robotus, skirtus pagyvenusių žmonių priežiūrai ir pagalbai. Šie robotai sukurti taip, kad galėtų saugiai naršyti, protingai sąveikauti ir palaikyti realią globos aplinką.

Naudodamiesi naujais įrankiais, tokiais kaip generatyvus dizainas ir dirbtinio intelekto valdomas modeliavimas, Xavor mechanikos inžinieriai padeda formuoti naujos kartos išmaniuosius robotus, sukurtus ne tik veikti, bet ir rūpestingai bei tiksliai tarnauti žmonijai.

Norėdami pasikalbėti su mūsų robotikos komanda, parašykite mums žinutę (apsaugotas el. paštu)ir mes su jumis susisieksime per 24–48 valandas.